技术领域
本发明属于有机化学领域，涉及苯并噻唑2-乙腈化合物，具体涉及苯并噻唑2-乙腈荧光探针及其用途。
背景技术
阴离子在环境保护、工业生产和生物应用等方面都具有重要作用。其中，氰根离子是毒性最强的阴离子之一，它经由肺、肠胃或者皮肤进入人体，引起呕吐、抽搐、失去意识甚至死亡。极其少量的氰根离子能在几分钟内致人死亡。因此，高效检测氰根离子的方法引人注目。因此，探索高选择性与灵敏性的荧光探针引起了许多研究者的兴趣。例如Jo TG等合成了含水杨醛与顺丁烯腈的染料，能在不同溶剂中检测氰根离子与铜离子(T.G.Jo,Y.J.Na,J.J.Lee,M.M.Lee,S.Y.Lee,C.Kim,Sensors and Actuators B 2015,211,498–506.)。
苯并噻唑类分子的结构属于刚性的平面结构，在有机溶剂中的激发光谱和发射光谱都存在着很高的对应性，可用于制备荧光材料、非线性光学材料，生物体内荧光分子探针、发光材料。例如崔京南等公开了一种基于苯并噻唑类化合物的硫化氢荧光检测探针(CN103923640A)。2-羟基苯基-苯并噻唑具有ESIPT效应，是一类新型的发光小分子，可用作荧光化学传感器识别汞离子等。Li等采用2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物在DMSO和水混合体系(DMSO/H2O＝6/4,v/v)中检测氰根离子(Junjian Li,Xiaoliang Qi,Wei Wei,Yucheng Liu,Xiao Xu,Qiuhan Lin,Wei Dong.A“donor-two-acceptor”sensor for cyanide detection in aqueous solution[J].Sens.Actuators B,2015,220(1):986-991)。但是上述2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物在水溶液中荧光容易淬灭，不具备具有聚集诱导发光效应。
发明内容
本发明的目的是提供一种苯并噻唑2-乙腈类染料，该苯并噻唑2-乙腈类染料具有聚集诱导发光效应，可以用于检测氰根离子和细胞成像。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种苯并噻唑2-乙腈类染料，其结构式为下式(I)所示：
本发明所述的苯并噻唑2-乙腈类染料采用本领域常用方法合成，如，由4-(二苯胺)苯甲醛与苯并噻唑-2-乙腈反应得到，该方法的反应式如下式(Ⅱ)表示：
本发明所述的苯并噻唑2-乙腈染料的具有聚集诱导发光效应(Aggregation-induced emission,AIE)，即在溶剂状态下不显示荧光，但在聚集状态或固体状态下有强烈荧光。因此，其可完全应用于水溶液体系中，荧光光谱在580nm处有一强荧光峰，在365nm光激发下显示橙红色荧光。
本发明所述的苯并噻唑2-乙腈类染料用于检测氰根离子的方法由以下步骤组成：
(1)将苯并噻唑2-乙腈类染料溶解在亲水性有机溶剂中，然后用水稀释，得到含苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液；所述的含苯并噻唑2-乙腈类染料的水溶液中，亲水性有机溶剂含量为0.1％(v/v)，苯并噻唑2-乙腈类染料的浓度为10～50μM；所述的亲水性有机溶剂是乙腈、DMF或者DMSO；
(2)往步骤(1)所制备的含苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液中滴加0.01体积倍的待检测液体样品，在波长为365nm光激发下，观察水溶液荧光是否发生变化，如果水溶液荧光颜色淬灭，则说明液体样品中含有氰根离子。
本发明所述的苯并噻唑2-乙腈类染料的荧光光谱在580nm处显示非常强的荧光峰，荧光颜色为橙红色；加入一定量的氰根离子后，其荧光发生淬灭。其原理是，氰根离子可以和所述苯并噻唑2-乙腈类染料上的乙烯基发生加成反应，影响苯并噻唑2-乙腈类染料的超共轭效应，导致荧光淬灭。本发明所述的苯并噻唑2-乙腈类染料对氰根离子具有很好的选择性，其他阴离子，如F-,Cl-,Br-,SO32-,I-,NO3-,CH3COO-,HSO3-,SO42-,HSO42-,H2PO4-不能淬灭苯并噻唑2-乙腈类染料的荧光。
本发明相对于现有技术具有以下优点：本发明所述的苯并噻唑2-乙腈类染料荧光检测含水溶液中的氰根离子，并且还可以对细胞进行荧光成像。
附图说明
图1为本发明所述苯并噻唑2-乙腈类染料在不同比率的水/DMSO混合溶液的荧光，其中苯并噻唑2-乙腈类染料浓度为5μM。
图2为本发明所述苯并噻唑2-乙腈类染料在不同比率的水/DMSO混合溶液在580nm处的荧光强度，其中2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物浓度为5μM。
图3为2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物在不同比率的水/DMSO混合溶液在612nm处的荧光强度，其中2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物浓度为5μM。
图4为本发明所述苯并噻唑2-乙腈类染料与不同阴离子的荧光光谱图，其中苯并噻唑2-乙腈类染料浓度为5μM，阴离子浓度为10μM。
图5为添加氰根离子和其他阴离子后苯并噻唑2-乙腈类染料的580nm处荧光强度的条形图，其中苯并噻唑2-乙腈类染料浓度为5μM，氰根离子浓度为10μM，其他阴离子浓度为20μM。
图6为添加不同浓度氰根离子后本发明所述苯并噻唑2-乙腈类染料的荧光光谱图，其中苯并噻唑2-乙腈类染料浓度为5μM。
图7为不同浓度本发明所述苯并噻唑2-乙腈类染料细胞毒性的条形图。
具体实施方式
下面用具体实施例来进一步详细描述本发明的制备方法及其效果。
实施例1
1.苯并噻唑2-乙腈类染料的制备
在50mL烧瓶中加入2.73g(10mmol)4-(二苯胺)苯甲醛，1.74g(10mmol)苯并噻唑2-乙腈-2-乙腈和0.77g(10mmol)醋酸铵，然后加入20mL无水乙醇。室温下反应过夜后，沉淀过滤，在乙醇中重结晶得到橙红色固体3.56g。产率83％。
2.化合物的表征
1H NMR(400MHz,CDCl3)δ(ppm):8.01(s,1H),7.94(d,1H),7.78(t,3H),7.39(t,1H),7.25(m,5H),7.08(m,6H),6.93(d,2H).
13C NMR(100MHz,CDCl3)δ(ppm):163.91,153.75,151.58,146.18,145.98,134.79,132.26,129.78,126.75,126.30,125.49,125.23,124.47,123.16,121.59,119.72,117.55,100.71,77.43,77.12,76.80.
IR(cm-1,KBr):3750,3056,2360,2333,2205,1700,1566,1506,1482,1426,1331,1295,1164,1069,980,914,819,754,724,700,617,587,533,498
HR-MS(ESI):C28H19N3S m/z,429for[M+Na]+:452.1203
Elemental analysis:calcd C,78.73；H,4.157；N,9.827；Found C,78.44；H,4.20；N,9.95.
Mp:195.7-196.8℃
上述检测结果证实制备的化合物为化学式(I)所示的苯并噻唑2-乙腈类染料。
实施例2(苯并噻唑2-乙腈类染料的荧光特性)
配制浓度为5mM的苯并噻唑2-乙腈类染料DMSO溶液，取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料DMSO溶液，加入10mL的容量瓶，分别加入1,2,3,4,5,6,7,8,9mL蒸馏水，然后加入DMSO调整溶液体积为10mL，分别得到浓度为1μM的苯并噻唑2-乙腈类染料水/DMSO溶液(9/1，v/v)，浓度为5μM的苯并噻唑2-乙腈类染料水/DMSO溶液(8/2，v/v)，浓度为5μM的苯并噻唑2-乙腈类染料水/DMSO溶液(7/3，v/v)，浓度为5μM的苯并噻唑2-乙腈类染料水/DMSO溶液(6/4，v/v)，浓度为5μM的苯并噻唑2-乙腈类染料水/DMSO溶液(5/5，v/v)，浓度为5μM的苯并噻唑2-乙腈类染料水/DMSO溶液(4/6，v/v)，浓度为5μM的苯并噻唑2-乙腈类染料水/DMSO溶液(3/7，v/v)，浓度为5μM的苯并噻唑2-乙腈类染料水/DMSO溶液(2/8，v/v)，浓度为5μM的苯并噻唑2-乙腈类染料水/DMSO溶液(1/9，v/v)。
配制浓度为5mM的苯并噻唑2-乙腈类染料DMSO溶液，取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液，加入10mL的容量瓶，用蒸馏水稀释到10mL，得到苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液。
配制浓度为5mM的苯并噻唑2-乙腈类染料DMSO溶液，取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料DMSO溶液，加入10mL的容量瓶，用DMSO稀释到10mL，得到苯并噻唑2-乙腈类染料DMSO溶液。
检测上述苯并噻唑2-乙腈类染料溶液的荧光。结果如图1和图2所示。苯并噻唑2-乙腈类染料的DMSO溶液没有荧光，当混合溶液中水的体积比大于60％时，在580nm显示出一荧光峰。苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光强度是苯并噻唑2-乙腈类染料的乙腈溶液的荧光强度的48倍。因此，苯并噻唑2-乙腈类染料具有AIE特性。
采用上述方法，将文献(Junjian Li,Xiaoliang Qi,Wei Wei,Yucheng Liu,Xiao X u,Qiuhan Lin,Wei Dong.A“donor-two-acceptor”sensor for cyanide detection in aqueous solution[J].Sens.Actuators B,2015,220(1):986-991)所述的2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物溶解在DMSO中，配制一系列浓度为5μM的DMSO/H2O混合溶液，检测2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物DMSO/H2O混合溶液的荧光光谱。其结果如图3所示。结果显示随着混合溶液中水含量增加，2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物的荧光下降。
分别检测浓度为5μM的2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物水溶液和浓度为5μM的2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物DMSO溶液的荧光光谱。结果发现2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物水溶液荧光较弱，2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物DMSO溶液显示荧光。2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物水溶液的荧光强度是2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物染料的DMSO溶液的荧光强度的0.013倍。
因此，文献(Junjian Li,Xiaoliang Qi,Wei Wei,Yucheng Liu,Xiao Xu,Qiuhan Lin,Wei Dong.A“donor-two-acceptor”sensor for cyanide detection in aqueous solution[J].Sens.Actuators B,2015,220(1):986-991)所述的2-羟基苯基-苯并噻唑衍生物染料没有AIE性能。
实施例3
以下以化学式(I)所示的苯并噻唑2-乙腈类染料应用为检测氰根离子的荧光探针。
一、荧光检测氰根离子
1.荧光检测氰根离子的选择性
(1)配制浓度为5mM的苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液。
(2)分别配制浓度为10mM的NaF,NaCl,KBr,KI,四正丁基氰化铵,CH3COONa,NaNO3,Na2SO4,NaHSO4,NaHSO3,NaH2PO4的水溶液。
(3)取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液，分别滴加NaF,NaCl,KBr,KI,四正丁基氰化铵,CH3COONa,NaNO3,Na2SO4,NaHSO4,NaHSO3,NaH2PO4的水溶液10μL，用水稀释到10mL，在365nm光激发下观察苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光变化。
结果发现，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光颜色是橙红色，加入四正丁基氰化铵水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光淬灭；而加入NaF,NaCl,KBr,KI,CH3COONa,NaNO3,Na2SO4,NaHSO4,NaH2PO4的水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光颜色基本保持不变。因此苯并噻唑2-乙腈类染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。
检测上述溶液的荧光光谱图。如图4所示。结果发现，加入氰根离子，溶液的荧光光谱中580nm处的荧光峰消失；而加入其他离子，溶液的荧光光谱变化较小。苯并噻唑2-乙腈类染料对氰根离子显示出良好的选择性。
2.干扰离子共存检测氰根离子实验
(1)配制浓度为5mM的苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液。
(2)分别配制浓度为10mM的NaF,NaCl,KBr,KI,四正丁基氰化铵,CH3COONa,NaNO3,Na2SO4,NaHSO4,NaH2PO4的水溶液。
(3)取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液，加入10μL四正丁基氰化铵水溶液，然后分别滴加20μL的NaF,NaCl,KBr,KI,CH3COONa,NaNO3,Na2SO4,NaHSO4,NaH2PO4的水溶液，用蒸馏水稀释到10mL，检测其荧光光谱。测试结果如图5。
由图5可以知道其他阴离子对氰根离子的荧光检测影响较小。
3.荧光滴定氰根离子的工作曲线
(1)配制浓度为5mM的苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液；配制浓度为10mM的四正丁基氰化铵的水溶液。
(2)取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液，加入10mL容量瓶中；取不同体积的四正丁基氰化铵的水溶液，加入上述容量瓶中，用蒸馏水稀释到10mL，配制成氰根离子不同浓度的标准测试溶液，测试其荧光光谱。测试结果见附图4。用非线性最小二乘法计算得到苯并噻唑2-乙腈类染料与氰根离子的结合常数为5.88×105M-1。
4.氰根离子的检测极限
采用DL＝3δ/k计算氰根离子的检测极限为0.16μM。
文献(Junjian Li,Xiaoliang Qi,Wei Wei,Yucheng Liu,Xiao Xu,Qiuhan Lin,Wei Dong.A“donor-two-acceptor”sensor for cyanide detection in aqueous solut ion[J].Sens.Actuators B,2015,220(1):986-991)中报道2-羟苯基-苯并噻唑衍生物的氰根离子的检测极限为0.18μM。
因此，本发明所述的苯并噻唑2-乙腈类染料氰根离子的检测极限低于文献(Junjian Li,Xiaoliang Qi,Wei Wei,Yucheng Liu,Xiao Xu,Qiuhan Lin,Wei Dong.A“donor-t wo-acceptor”sensor for cyanide detection in aqueous solution[J].Sens.Actuato rs B,2015,220(1):986-991)报道的检测极限。
实施例4
1、MTT法检测细胞生长活性
将HeLa细胞以每孔6X103个细胞接种于96孔板,培养过夜,换用含有苯并噻唑2-乙腈类染料浓度分别为5,10,15,20μM的培养液,继续培养24h后,吸弃上清液,每孔加入200l MTT试剂(5mg/ml，用PBS配制)，继续培养4h，弃去培养液，每孔加入150μl DMSO，置于细胞摇床中10min，至蓝色颗粒完全溶解。用酶标仪(ELX800全自动酶标仪,美国宝特仪器有限公司)在激发波长为490nm条件下，测定各孔吸光度值,以含有细胞的培养液和MTT为对照组,以只加等量的培养液和MTT为空白孔。按照下述公式计算细胞存活率:细胞存活率(％)＝(实验孔吸光度值-空白孔吸光度值)/(对照孔吸光度值-空白孔吸光度值)×100％。每个浓度设置5个平行孔,实验重复3次。结果如图7所示。图7显示苯并噻唑2-乙腈类染料的细胞毒性低。
2、细胞培养和成像
取对数生长期的HeLa细胞接种于置有6孔板中,培养过夜,换用含有10μM苯并噻唑2-乙腈类染料的1640培养液继续培养30min后,用磷酸盐缓冲液清洗6孔板3次,除去过量的苯并噻唑2-乙腈类染料。细胞继续加入DAPI(10μg/ml)的1640培养液继续培养30min后，用磷酸盐缓冲液清洗6孔板3次,除去过量的DAPI。将细胞置于激光共聚焦显微镜下观察。苯并噻唑2-乙腈类染料处理后的细胞在细胞质中出现橙红色荧光。结果表明苯并噻唑2-乙腈类染料具有良好的细胞穿透性，可以应用为细胞内的荧光探针。
实施例5(检测氰根离子)
(1)配制浓度为10mM的苯并噻唑2-乙腈类染料DMF溶液，分别取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料DMF溶液，加入蒸馏水稀至10mL，得到苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液；
(2)配制浓度为30mM的四正丁基氰化铵水溶液，浓度为30mM的氟化钠水溶液；
(3)在10mL苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液中分别滴加步骤(2)所配制的一种水溶液0.1mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光变化。
结果显示，加入四甲基氰化铵水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光淬灭，而加入氟化钠的水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光保持不变。此结果表明，苯并噻唑2-乙腈类染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。
实施例6(检测氰根离子)
(1)配制浓度为50mM的苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液，分别取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液，加入蒸馏水稀至10mL，得到苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液；
(2)配制浓度为20mM的四正丁基氰化铵水溶液，浓度为30mM的碘化钠水溶液；
(3)在10mL苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液中分别滴加步骤(2)所配制的一种水溶液0.1mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光变化。
结果显示，加入四甲基氰化铵水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光淬灭，而加入碘化钠的水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光保持不变。此结果表明，苯并噻唑2-乙腈类染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。
实施例7(检测氰根离子)
(1)配制浓度为30mM的苯并噻唑2-乙腈类染料DMSO溶液，分别取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料DMSO溶液，加入蒸馏水稀至10mL，得到苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液；
(2)配制浓度为40mM的四正丁基氰化铵水溶液，浓度为60mM的硫酸钠水溶液；
(3)在10mL苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液中分别滴加步骤(2)所配制的一种水溶液0.1mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光变化。
结果显示，加入四甲基氰化铵水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光淬灭，而加入硫酸钠的水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光保持不变。此结果表明，苯并噻唑2-乙腈类染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。
实施例8(检测氰根离子)
(1)配制浓度为40mM的苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液，分别取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液，加入蒸馏水稀至10mL，得到苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液；
(2)配制浓度为30mM的四甲基氰化铵水溶液，浓度为30mM的硫酸氢钠水溶液；
(3)在10mL苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液中分别滴加步骤(2)所配制的一种水溶液0.1mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光变化。
结果显示，加入四甲基氰化铵水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光淬灭，而加入硫酸氢钠的水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光保持不变。此结果表明，苯并噻唑2-乙腈类染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。
实施例9(检测氰根离子)
(1)配制浓度为10mM的苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液，分别取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料乙腈溶液，加入蒸馏水稀至10mL，得到苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液；
(2)配制浓度为30mM的四甲基氰化铵水溶液，浓度为30mM的硫酸氢钠水溶液；
(3)在10mL苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液中同时滴加步骤(2)所配制的两种水溶液0.1mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光变化。结果显示，同时加入四甲基氰化铵和硫酸氢钠水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光淬灭。此结果表明，硫酸氢根离子对氰根离子的检测识别没有干扰，苯并噻唑2-乙腈类染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。
实施例10(检测氰根离子)
(1)配制浓度为15mM的苯并噻唑2-乙腈类染料DMSO溶液，分别取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料DMSO溶液，加入蒸馏水稀至10mL，得到苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液；
(2)配制浓度为20mM的四正丁基氰化铵水溶液，浓度为40mM的醋酸钠水溶液；
(3)在10mL苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液中同时滴加步骤(2)所配制的两种水溶液0.1mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光变化。
结果显示，同时加入四甲基氰化铵和醋酸钠水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光淬灭。此结果表明，醋酸根离子对氰根离子的检测识别没有干扰，苯并噻唑2-乙腈类染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。
实施例11(检测氰根离子)
(1)配制浓度为20mM的苯并噻唑2-乙腈类染料DMF溶液，分别取10μL苯并噻唑2-乙腈类染料DMF溶液，加入蒸馏水稀至10mL，得到苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液；
(2)配制浓度为30mM的四甲基氰化铵水溶液，浓度为60mM的氯化钠水溶液；
(3)在10mL苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液中同时滴加步骤(2)所配制的两种水溶液0.1mL，混合均匀后，在365nm光激发下观察苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光变化。
结果显示，同时加入四甲基氰化铵和氯化钠水溶液后，苯并噻唑2-乙腈类染料水溶液的荧光淬灭。此结果表明，氯离子对氰根离子的检测识别没有干扰，苯并噻唑2-乙腈类染料对氰根离子显示出选择性和荧光识别能力。